浅谈太阳能的利用技术

摘要： 本文介绍了我国目前太阳能建筑的现实状况，分析了其中的节能潜力，并介绍了太阳能建筑节能的相关内容和实现技术，探讨太阳能建筑节能的可持续发展道路。

关键词： 太阳能 建筑热量

随着改革开放和经济发展，我国太阳能建筑的面积日趋增大，建筑节能是近年来世界建筑发展的一个基本趋向，也是当代建筑科学技术的一个新的生长点。抓住机遇，不失时机地推进建筑节能，有利于国民经济持续、快速、健康发展，保护生态环境，实现国家发展的第二步和第三步战略目标，并引导我国建筑业与建筑技术随同世界大潮流迅速前进，太阳能建筑的节能具有很好的前景，大有可为。

我国地域宽广，房屋建筑规模巨大，约有一半建筑位于北方“三北”地区，由于气候原因，每年约有4— 6个月的采暖期，该地区规定设置集中采暖系统，以往习惯称之为集中采暖地区。中部地区（冬冷夏热地区），即长江流域地区，虽然冬季平均气温高于0℃，但相对湿度较高，冬季湿冷，而夏季又酷热。该地区属于中国经济发达地区，包括长江上游在内，涉及18个省、自治区、直辖市，总面积180万k平方米，人口近4 亿。年工农业总产值占全国40％，人均产值及人均收入均高于全国平均水平。以往由于经济上的原因，该地区一般城镇住宅围护结构无保温措施，也不设置采暖设施，因此冬夏季室内热环境条件相当差。南方属于亚热带气候，夏季气候炎热，降温则是主要解决的问题。

与发达国家相比，集中采暖地区城镇住宅围护结构保温、气密性较差，供热系统效率较低，单位面积的采暖能耗要高得多。我国已成为世界上建房最多的国家，近年来每年全国建成城镇住宅2 亿平方米以上，随着人民生活的不断改善，人们对于建筑热环境的舒适性要求愈趋迫切，中部地区冬季采暖势在必行，各地“空调热”也日渐高涨。所以，如何尽量利用太阳能、合理建筑设计，对北方集中采暖地区可以减少采暖、空调能耗；而对于中部及南部地区，改善室内热环境条件，达到低水平的室内舒适参数，已成为一个重要的课题。

我国从80 年代起，对城镇多层住宅应用被动太阳能进行采暖及降温技术已有研究，先后在石家庄、滩纺及杭州等处建成了试点建筑，较好的改善了室内热环境条件。当时的技术路线是由热工外算开始，进而建造示范建筑以验证效果。国外从70年代初期起，投入了相当的力量进行计算机软件的开发工作，应用动态模拟计算，进行建筑热工参数计算分析，进而可以预测室内环境参数，获得应用被动太阳能的最佳建筑设计方案，同时也建设示范建筑以验证软件的可信性。这类从合理建筑及热工设计着手，在增加有限的建设投资下，尽量利用被动太阳能来达到低水平的室内冬夏热环境条件的住宅，这里称为“节能住宅”。

一、各种参数对空温的影响

为了进行参数研究，首先确定了一个基础方案，即对条状住宅建筑模型，取其南向主立面外窗的窗墙比为30.3％，单层窗，外墙与屋面传热系数均为0.83w／ （℃??*平方米），换气次数为1.1次h，不考虑内部蓄热量。在进行参数分析时，固定其他参数，仅变化一个参数来分析对室温的影响。

内部蓄热量

蓄热量会影响室温，特别是对最高室温有影响。冬季，内部蓄热量会使月最高温度降低，而使月最低温度升高，至于月平均温度，则略有升高。显然，内部蓄热量可以改善冬季室内热环境条件。对夏季来说，蓄热量同样也降低了月最高温度及升高了月最低温度，而月平均温度则无多大影响。当建筑模型中一个住户内蓄热量相当于100平方米、200mm厚混凝土墙时，可使八月份住宅最高温度下降3c左右，可使一月份住宅最低温度升高2.8℃，这将对室内热环境有较大的改善。

换气次数

可以预见，增加换气次数会使冬季室内热环境变差，但能改善夏季室内热环境。对夏季来说，换气次数由1.1次h增加到10次h，可使八月份月最高温度降低4.4℃、月平均温度下降4.8℃，月最低温度下降7.8C.显然，冬季换气次数越低越好，如果园护结构、门窗密闭性好，换气次数可以降低到1.5次／h，此时与1.1次h相比，室温可提高2—3C.

增强夜间通风

降低夏季室温的一个措施是增强夜间通风，计算了三种方案，一是全天以1. 1次／h换气，第二种方案全天以10次／hh换气，第三种方案则采取白天（早6一晚2l时）1.1次h换气，夜间（晚21一晨6时）加强通风至10次h.计算结果表明，对于内部蓄热量较大时，第三方案与第一方案相比，月最高温度下降3.7C，月平均温度下降5.2℃，而月最低温度下降达7.7℃。可见增强夜间通风对改善夏季室内热环境是十分奏效的。

南窗面积

窗户开启面积既与热损失量有关，也与通过窗户玻璃进入室内的太阳得热量有关。太阳辐射得热量与窗户朝向有密切的关系，相比之下热损失与朝向的关系就不那么密切了。这里分析南向窗户面积对室温的影响。计算三种不同的窗墙比，它们分别是9.3％、30.3％及60.5％。冬季工况计算表明，窗墙比由19.3％增大至60.5％后，一月份最高温度升高3.6℃，平均温度升高2.7℃，而最低温度提高2.5℃的夏季来说，月最高温度、月平均温度及月最低温度分别要提高1.6℃、0.9℃及0.4℃。

由此可见，南向窗墙比大且具有较大内部蓄热量时，可以改善冬季室内热环境条件；至于夏季，南向窗户面积增大会提高一点室温，使室内热环境条件略为变差—点。

主立面朝向

主立面朝向不仅对冬季有影响，而且对夏季也有影响。主立面朝东及朝西时室温相同，与主立面朝南及朝北相比，室内热环境条件都要来得差。对于冬季来说，主立面朝南为最佳。

水平遮阳板伸出长度

夏季除了采用加大通风量来降低室温外，另一条途径是在窗户上方设置遮阳板，以减少太阳入射量。计算了不同伸出长度（水平方向）一月及八月份室温情况。由计算可以得出，水平遮阳板对夏季有明显改善室内热环境的作用，但遗憾的是，同时也使冬季室内热环境变差。夏季时，水平遮阳板的伸出长度由0，0.4，0.9及1.5m变化时月平均温度可分别降低1.0，2.0及2.2℃，但冬季却也相应降低了月平均温度0.2，0.7及 2.2℃。

窗户的层数

增加窗户层数将减少热损失，但也在一定程度上减少了太阳得热量。采用单层宙及双层宙作计算比较，发现双层窗对冬季室温略有改善（一月份平均室温增加0.9℃），但同样使夏季室温略有变差（八月份平均室温升高0.7℃）。

外墙、屋面外表面颜色

外墙、屋面外表面涂成白色会有助于降低夏季室温。进行二种方案比较计算，一种采用吸收率为o. 8的深色外表面，另一种吸收率为浅色外表面。计算结果表明，浅色表面可使夏季室内热环境得到明显改善，但同时也使冬季情况变差。在二方案中外墙及屋面传热系数均采取0.83w平方米，八月份平均室温可降低2℃，但一月份平均室温也降低了1.3℃。外墙与屋面保温越好，这种影响将越小。

外墙与屋面热工设计

采用三种方案进行比较计算，

第一方案为外墙与屋面的传热系数及均为0.83w／ （℃。m），

第二方案外墙K＝0.83w／（℃。m），屋面K＝0.28w／（℃。m），

第三方案外墙与屋面K值均为0.28w／（℃。平方米）。

由计算可以看出，屋面保温对降低夏季顶层室温的影响尤其大，第二方案与第一方案相比，八月份月最高温度下降7℃，平均温度下降0.4℃，但月最低温度上升了 6℃。从冬季情况看，保温改善有利于室温提高，第三方案与第一方案相比，一月份平均室温升高1.1℃，5最低温度升高了2.4℃，但月最高温度有所下降（5℃）。顶层天花板表面温度受屋面保温影响甚大，对于屋面有很好保温的场合K＝0.28w／（℃。m3），在年最热日下午14时，天花板内表面温度仅只比室温高0.5℃，但K＝0.83w／（℃。m）

的屋面来说，要高出3.8℃。如果采用外墙及＝0.74w／（℃。m），屋面X＝0.63w／ （℃。m），并具有较大的内部莆热量，应用双层窗，加强夜间通风（晚21时至凌晨6时，换气次数为10次／h），此时最热日下午14时室温为37.2℃，天花板内表面温度只有33.6℃，室内热环境可以得到明显的改善。

二、节能住宅设计原则

根据以上参数研究，提出如下设计原则：

1. 冬季换气次数应该尽可能低，而夏季则尽可能高。

2. 如果具有较大的内部蓄热量，对夏季来说，较好的方案是白天（早6时至晚2l时）维持较低的换气次数，面夜间（晚2l时至晨6时）宜加强通风增加换气次数。

3. 内部蓄热量对冬、夏季来说均能减少室温的波动幅度，即降低最高温度，升高最低温度，但对平均温度影响甚小，总的来说，内部首热量能改善室内热环境。

4. 采用水平遮阳板来降低夏季室温并不是好的措施，因为它同时较冬季室内效环境变差，除非遮阳板在冬季时可以移开。

5. 尽管外墙、屋面外表面涂以浅色可以降低夏季室温，但同时也降低了冬季室温，因面不推荐这种做法。

6. 采取南立面大比例的窗墙比，并设计成具有较大内部蓄热量境，对夏季稍为不利。

7. 主立面窗户朝南为最佳，朝东及朝西效果最差。

8. 窗户、外墙及屋面保温能改善冬季室内热环境，特别是屋面保温可以明显地改善夏季室内热环境。

三、几个推荐的节能住宅方案

被动太阳能（房）节能住宅方案

参数研究优化计算了北京地区应用被动太阳能采暖的可能性，即研究了是否可能在不设置采暖设备时月平均室温达到16℃。计算结果表明是可能的，其建筑设计参数如下：

1. 南立面宙墙比60.5％。

2. 具有较大内部蓄热量，相当于户（建筑面积73.1平方米）具有200mm厚混凝土墙体的苦热量

3. 双层窗。

4. 外墙与屋面的传热系数K＝0.28w／（℃。平方米）。

5. 冬季换气次数0.5次/h，夏季早6一晚21时换气次数1.1次/h，晚21次/h.

四、节能住宅方案设计原则

由参数研究的结果提出如下设计原则：

1. 冬季换气次数宜低（v＝0.8次／h），夏季换气次数宜高（v＝20次h）（借助于打开宙户利用自然穿堂风）。

2. 从防止出现结露危险性观点来看，冬季换气次数至少保持0.8次h.

3. 增加内部蓄热量可使室内温度被动减弱，使夏季及冬季的最高温度下降，使最低温度升高，不过，内部蓄热量对平均温度的影响甚微。总之，内部蓄热量可以使室内热环境条件得到改善。

4. 与较小的南向窗户相比，加大南向窗户面积，并配以相对较高的内部蓄热量，可以较好的改善冬季室内热环境条件。这种做法只是稍微使夏季室内热环境条件变差。

5. 选择建筑南向主立面为最佳，而主立面东向或西向为最差。

6. 南向窗户上部的水平遮阳板对改善夏季室内环境的作用不明显，除非在冬季时可以移开。

7. 为了避免冬季卧室及起居室出现结露，在安排厨房、浴室、厕所位置时要注意与主要使用房间的隔断，并合理利用穿堂风，最好设置机械排风装置。

太阳能建筑的节能具有很好的前景，大有可为。但是在其发展阶段，资金投入是一个主要的障碍。太阳能建筑的长远发展必须符合市场经济的规律。简单来说就是要作到“分担投入、共享收益”。

所谓“分担投入”就是要从多个渠道解决太阳能建筑节能所需要的前期投入。比如建筑业主承担主要部分，专业化的节能改造公司承担一部分，政府支持的低息银行贷款一部分，这样可以促进太阳能建筑节能工作的全面开展。